工程师十年总结：LED设计经典问题解答

2015年08月17日 16:16 来源：网站整理 作者：Duke 我要评论(0)

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　　近年来，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。

　　通过十多年对LED设计的潜心研究和学习。本人收集了LED应用设计中一些经典性的基础问题分享给大家。其中涉及到内容有单个LED的流明效率与用LED 作光源构成的灯具的流明效率异同分析，LED的结温原理及结温升高会对LED产生的影响问题，静电破坏的原理以及列举一些类型的LED容易受静电破坏导致失效，探讨LED路灯防雷能用一个压敏电阻的问题，解读设计高品质LED驱动电路的方法和选择和设计LED驱动电源时要考虑哪些因素等问题。

　　问：单个LED的流明效率与用LED作光源构成的灯具的流明效率有什么异同？

　　答：针对某一个特定的LED，加上规定的正向偏置，如加上IF＝20mA正向电流后（对应的VF≈3.4V），测得的辐射光通量Φ＝1.2lm，则这个 LED的流明效率为η＝1.2lm×1000/3.4V×20mA＝1200/68≈17.6lm/W。显然，对单个LED，如施加的电功率 Pe＝VF×IF，那么在这个功率下测得的辐射光通量折算为每瓦的流明值即为单个LED的流明效率。

　　但是，作为一个灯具，不论LED PN结上实际加上的功率VF×IF是多少，灯具的电功率总是灯具输入端口送入的电功率，它包括电源部分（如稳压器、稳流源、交流整流成直流电源部分等）所消耗的功率。灯具中，驱动电路的存在使它的流明效率比测试单个LED的流明效率要下降。电路损耗越大，流明效率越低，因此，寻找一种高效率的LED驱动电路就显得极为重要。

　　问：什么是LED的结温？结温升高会对LED造成什么影响？

　　答：LED基本结构是一个半导体的PN结。当电流流过LED器件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

　　当PN结的温度（例如环境温度）升高时，PN结内部的杂质电离加快，本征激发加速。当本征激发产生的复合载流子的浓度远远超过杂质浓度时，本征载流子的数量增大的影响较之迁移率减小的半导体电阻率变化的影响更为严重，导致内量子效率下降，温度升高又导致电阻率下降，使同样IF下，VF降低。如果不用恒流源驱动LED，则VF降将促使IF指数式增加，这个过程将使LED PN结上温升更加快，最终温升超过最大结温，导致LED PN结失效，这是一个正反馈的恶性过程。

　　PN结上温度升高，使半导体PN结中处于激发态的电子/空穴复合时从高能级向低能级跃迁时发射出光子的过程发生退化。这是由于PN结上温度升高时，半导体晶格的振幅增大，使振动的能量也发生增加，当它超过一定值时，电子/空穴从激发态跃迁到基态时会与晶格原子（或离子）交换能量，于是成为无光子辐射的跃迁，LED的光学性能退化。

　　另外，PN结上温度升高还会引起杂质半导体中电离杂质离子所形成的晶格场使离子能级裂变，能级分裂受PN结温度的影响，这就意味着由于温度影响晶格振动，使其晶格场的对称性发生变化，从而引起能级分裂，导致电子跃迁时产生的光谱发生变化，这就是LED发光波长随PN 结温升而变化的原因。

　　综上所述，LEN PN结上的温升会引起它的电学、光学和热学性能的变化，过高的温升还会引起LED封装材料（例如环氧、荧光粉等）物理性能的变化，严重时会导致LED失效，所以降低PN结温升，是应用LED的重要关键所在。

　　问：什么是静电破坏？哪些类型的LED容易受静电破坏导致失效？

　　答：静电实际上是由电荷累积构成。人们在日常生活中，特别在干燥天气环境中，当用手去触摸门窗类物品时会感觉“触电”，这就是门窗类物品静电积累到一定程度时对人体的“放电”。对于羊毛织品、尼龙化纤物品，静电积累起来的电压可高达一万多伏特，电压十分高，但静电功率不大，不会威胁生命，然而对于某些电子器件却可以致命，造成器件失效。

　　LED中用GN基构成的器件，由于是宽禁带半导体材料，它的电阻率较高，对于InGaN/AlGaN/GaN的双异质结蓝色光LED，其InGaN的有源层的厚度一般只有几十纳米，再由于这种LED的两个正、负电极在芯片同一面上，之间距离很小，若两端静电电荷累积到一定值时，这一静电电压会将PN击穿，使其漏电增大，严重时PN结击穿短路，LED失效。

　　正因为存在静电威胁，对于上述结构的LED芯片和器件在加工过程中对加工厂地、机器、工具、仪器，包括员工服装均要采取防静电措施，确保不损伤LED。另外，在芯片和器件的包装上也要采用防静电材料。

　　问：LED路灯防雷能用一个压敏电阻吗

　　答：关于路灯的防雷设计并非是一个简单的问题。首先要了解你的路灯系统方案全貌架构，如采用AC--》开关电源--》恒流源 --》LED光源的方案，那么，你应该首先考虑开关电源的防雷，雷击的侵入往往是由AC电线导入的，先被侵害的主体应该是开关电源，经开关电源输出的直流电压理论上是一干净的电源，至此雷击对恒流源的影响已经很小了。LED路灯一般是买现成的开关电源来配套，因此你在选用时特别选购能防雷击的开关电源，即在开关电源的输入端已设置防雷击电路。

　　问：隔离型与非隔离型驱动方案各有何优缺点？应用中如何选择？

　　答：所谓隔离，是指输入与输出间没有直接的电气连接关系，从安全的要求讲，一般要求输入/输出间耐压在3KV以上。目前的隔离型方案多是以变压器作为隔离元件的AC/DC的反激式（Flyback）电路方案，因此相对电路较复杂、成本较高。而非隔离型基本是采用功率电感的DC/DC的升压（Boost）或降压（Buck）电路，相对电路较简单，因而成本也相对较低。

　　由于电路上差异较大，大多数的芯片都不具备同时实现两种方案的可能。从恒流精度上看，隔离型可以做到±5%以内，而非隔离型则很难做到。

　　目前在以市电为输入电源的LED灯具中（特别是驱动与光源一体的灯具），本着安全第一的原则，基本已不需再采用非隔离型方案。但也有例外，LED日光灯管由于受到结构和空间的制约，仍还用非隔离型方案。在低压供电的LED灯具中，以效率和成本优先的原则，非隔离型方案是最佳的选择。

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